軌道車輛電氣柜防結露設計分析

王英+施曉芳+莊政杰

摘 要：我國幅員遼闊，南北溫度差異很大，溫度范圍可達-40℃～40℃，尤其是冬季，在東北極端低溫可達-45℃，為滿足乘客乘坐舒適，車內溫度始終需保持在23℃左右，由于車內外溫差巨大，有時會導致車內某些部位結露，形成冷凝水，對車輛造成損壞，尤其是電氣柜內，將給車輛電氣控制及行車安裝帶來極大隱患。

關鍵詞：電氣柜；隔熱；冷凝水；防結露；軌道交通

中圖分類號：U26 文獻標志碼：A

Abstract： China is a vast country， The north-south temperature is very different， the temperature range can be from -40 ℃ to 40 ℃ ， especially in winter， in the northeast of china，the extreme low temperature can reach to -45 ℃， in order to meet passenger comfort， the temperature inside the car always needs to keep 23 ℃ or so， because the difference of temperature between inside and outside is huge， sometimes condensates into dew on surfaces of some cabinets， damages to the vehicle， especially in electric cabinet， it will take harm to the driving safety.

Keywords： electrical cabinet； thermal insulation； condensate water； prevent coacervation； rail transportation

1 結露問題的提出

電氣柜是軌道車輛的重要部分，在電氣柜內集合了車輛信號、網絡、空調、乘客信息等眾多系統的大腦（主機），還匯集了大量的車輛控制用的繼電器、接觸器和低壓供配電用的端子排、連接器等，可以說電氣柜及其內部的設備集合體就是軌道車輛電氣化、智能化的核心。而恰恰是在此部位，為了滿足安裝強度的需求，結構的限制，導致該處成為車體防寒、隔熱的薄弱環節。尤其在冬季的北方高寒地帶，水蒸氣就會在一些表面凝結，形成結露，當形成的結露較多時，聚集到一定程度就會形成較大水滴，在本身重力和車輛振動沖擊力的情況下有可能滴落到電氣設備上損壞設備，給行車安全造成隱患。因此，對車輛的結露原因和防結露技術進行研究是很有必要的。

2 結露的原理

物體的熱量傳遞主要包括3類：傳導（固體之間的熱量傳遞）、對流（固體表面與流體間的熱量傳遞）、輻射（物體表面與不直接接觸的周圍物體間的熱量傳遞）。對于軌道車輛的傳熱，主要是車內外溫差引起的，熱傳遞形式主要是傳導和對流，例如當列車運行時，列車與冷空氣就形成了熱對流，而車體與電氣柜之間通過金屬安裝座形成熱傳導。

在冬季，車輛外部溫度很低，而車內始終保持人體的舒適溫度，溫差巨大。根據熱傳遞的基本理論，凡是有溫差的地方，就有熱量轉移的發生。當高溫物體向低溫物體傳遞熱量時，在一定濕度下達到環境空氣中的露點溫度，就會產生該濕度下低溫物體表面的結露。由于電氣柜安裝結構的需要，必須直接安裝于車體C型槽上或安裝于焊接在車體上的安裝座上，而車體防寒材在這些地方無法布置，會出現斷點，車外的低溫會隨著電氣柜的安裝座和螺栓傳遞到電氣柜骨架上，進而傳遞給其他設備，這些部位的表面溫度低于電氣柜區域空氣的露點溫度時，就會形成依附于低溫表面的凝結液體，即結露。

由于柜體骨架和柜內設備都不是親水材料構成，凝結液在凝結表面會形成一顆顆小液珠，隨著結露過程的進行，這些小液珠會逐漸長大，到一定尺寸后，在重力的影響下超過界面力或在車輛沖擊和震動情況下，它們便會隨機地沿凝結表面滾落，沿途與相遇的液珠匯合形成更大的液滴，而且又清掃了相應路線上的表面區域，這些清掃過后的表面區域又會形成新的結露，循環往復，使得電氣柜區域濕度增加，進而加重結露的形成。

3 結露對電氣設備的影響

3.1 降低電氣設備的絕緣強度或短路

凝結的水滴掉落到電氣件表面，會使設備的絕緣電阻降低，特別是遇有灰塵的設備，灰塵吸附水分后，會使設備的泄露電流大大增加，甚至絕緣擊穿。如果水滴滴落到接觸體上會造成短路。

3.2 金屬腐蝕

凝結的水滴對電氣柜柜體、電氣設備中的導電金屬都具有腐蝕作用，尤其是結露導致濕度增加，會加快金屬的腐蝕，嚴重降低設備的性能和使用壽命。

4 設計對策

防止電氣柜內結露可以從兩方面進行，一是減少熱量交換，降低車外低溫向車內的傳遞，避免結露的形成；二是使用親水材料，在低溫表面低于露點溫度時，允許形成凝結液體，但潤濕角θ<90°，凝結液體在表面會形成一層完整的液膜，然后被親水材料吸附，從而避免形成一個一個的液滴。

（1）減少熱量的交換可以從結構上進行改善設計，例如可以在電氣柜與車體安裝座之間增加非金屬過渡件，利用非金屬導熱系數低的特點減緩低溫向車內的傳遞，如圖1所示的結構。

圖1所示為電氣柜安裝件，中間部分為橡膠材質，正反兩面為金屬材質，整體注塑成型。其中，正面為一L型角鐵，起到加強筋的作用；反面有兩塊金屬板，中間由橡膠隔開，兩塊金屬板分別連接電氣柜骨架和車體上的安裝座，如圖2所示。

通過這種結構首先將電氣柜骨架和車體安裝座分開，利用橡膠導熱系數低的特點減緩了車外溫度向車內的傳遞，同時也能滿足安裝的要求。

（2）在有易產生結露部位涂防結露涂料。防結露涂料的機理主要在于其吸濕性，即防結露涂料所形成的涂膜具備兩個特征：一是具備一定的厚度（吸濕體積）；二是涂膜是多孔的，其內部具有連通的孔隙能夠容納表面吸附的冷凝水。這樣，當空氣中的水蒸氣因為溫差而在涂膜表面凝結時，水分就被吸附在涂膜中，從而防止表面露珠的出現，達到防結露的目的。當電氣柜內外溫差發生變化，空氣中的相對濕度降低時，涂膜中的水分就會蒸發到空氣中，并逐步趨于干燥，然后準備下一次吸附、蒸發，如此反復，達到長期防結露的目的。

結語

對于在冬季高寒地區運行的車輛，電氣柜冷凝結露問題不可忽視，給電氣柜內各設備提供一個溫濕度適宜的環境是設備正常工作和列車安全運行的必要條件，尤其是運行速度較高的線路，根據對流傳熱理論，速度越高，流體（氣體）的摻混就越強烈，對流傳熱就越強，低溫向車內傳遞的就越快，結露的可能性就越大，所以充分考慮車體結構和運行環境，結合以上兩種方式進行合理的防結露設計很重要。

參考文獻

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